ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ENERJİ LABORATUARI DENEY FÖYÜ DENEY ADI İKLİMLENDİRME DENEY FÖYÜ DERSİN ÖĞRETİM ÜYESİ DENEYİ YAPTIRAN ÖĞRETİM ELEMANI DENEY GRUBU: DENEY TARİHİ : TESLİM TARİHİ :
1. GİRİŞ İnsanların talep ettiği konfor ortamını sağlamak veya endüstriyel ihtiyalara yönelik istenilen koşulları sağlayan uyun ortamlar oluşturmak amacıyla yapılan işlemlerin tümü iklimlendirme olarak tanımlanır. DENEYİN KAPSAMIYLA İLGİLİ TEMEL KAVRAMLAR 2.1. Özül Nem (Mutlak Nem) ve Bağıl Nem (Nispi Nem) İklimlendirmede başlıca havanın sıcaklığı ve nemi kontrol edilmektedir. Amaca öre hava ısıtılmakta ya da soğutulmakta ve havanın nem oranı artırılmakta veya azaltılmaktadır. Hava ierisinde su buharı bulunması durumunda nemli hava (atmosferik hava) oluşur. İerisinde su buharı bulunmayan hava ise kuru hava olarak tanımlanır. Nemli hava ierisinde bulunan su buharının kütlesi buharlaşma ve yoğuşma nedeniyle değişir. Nemli hava ierisindeki nem (su buharı) miktarı özül nem (mutlak nem) ve bağıl nem şeklinde ifade edilebilir. Havadaki su buharı miktarının, bir birim kuru hava kütlesinde (m a ) bulunan su buharı kütlesi (m v ) şeklinde ifade edilmesine özül veya mutlak nem (aynı zamanda nem oranı) şeklinde adlandırılır ve w ile österilir: w=m v /m a (k su buharı/k kuru hava) (1) Su buharı, düşük basın ve sıcaklıklarda ideal bir az kabul edilebilmekte olup, ideal az bağıntısı kullanılarak, özül nem atmosferik hava ierisindeki su buharı ve kuru havanın kısmi basınları cinsinden w=0.622p v / P a (k su buharı/k kuru hava) (2) ifade edilebilir. Hava, su buharı ile kuru havanın karışımından oluşan ideal bir az karışımı olarak incelenebilmekte olup, atmosferik havanın mutlak basıncı P=P v +P a (kpa) (3) şeklinde; atmosferik hava basıncı ve hava ierisindeki su buharının kısmi basıncı cinsinden özül nem ifadesi ise; w=0.622 P v /(P-P v ) (k su buharı/k kuru hava) (4) şeklinde tanımlanabilir. Kuru havada su buharı bulunmaz ve tanım ereği özül nemi sıfırdır. 1 k kuru havaya su buharı ilave edilmeye başlayınca özül nemi artacak olup, su buharı ilavesi belli bir değere ulaşınca hava üzerine daha fazla nem alamayacaktır. Bu durumdaki hava su buharına doymuş olup, bu durum doymuş hava olarak isimlendirilir. Belirli sıcaklık ve basıntaki doymuş havanın ierisindeki su buharı miktarı, (4) eşitliğindeki su buharının kısmi basıncı (P v ) nin suyun aynı sıcaklıktaki doyma basıncı (P ) ile yer değiştirmesiyle hesaplanabilir (P =P doyma,t ). Bağıl nem (), 1 m 3 havanın ierdiği su buharı kütlesinin (m v ), havanın aynı sıcaklık ve aynı toplam basınta ierebileceği maksimum su buharı miktarına (m ) oranı olarak tanımlanır ve değeri =m v /m = P v /P (5) şeklinde belirlenir. Burada P v nemli havada bulunan su buharının kısmi basıncı ve P de su buharının o sıcaklıktaki doyma basıncı olup su buharı tablolarından elde edilebilir.
2.2. Kuru Termometre, Çiy Noktası ve Yaş Termometre Sıcaklığı Kuru Termometre Sıcaklığı (T): Atmosferik havanın sıcaklığı, aşağıda tartışılacak olan diğer sıcaklıklardan ayrılabilmesi iin sıka kuru termometre sıcaklığı olarak da adlandırılır. Çiy Noktası Sıcaklığı (T n ) : Hava sabit basınta soğutulduğuda yoğuşmanın başladığı sıcaklık diye tanımlanır. Havanın söz konusu buhar basıncındaki (P v ) doyma sıcaklığıdır (T n =T doyma,pv ). Hava sabit basınta soğurken, buhar basıncı P v de sabit kalır. Böylelikle havadaki buhar (1 hali), doymuş buhar hattına (2 hali) elinceye kadar sabit basınta soğuma işleminden eer. Bu noktada ki (2 hali) sıcaklık iy noktası sıcaklığıdır ve sıcaklığın daha da düşmesi durumunda, buharın bir bölümü yoğuşarak karışımdan ayrılır. Bunun sonucu olarak havadaki su buharı ve dolayısı ile P v de azalır. Yoğuşma işlemi sırasında hava doymuş halde kalır ve bağıl nemin %100 olduğu doymuş buhar eğrisini izler. Doymuş havanın iy noktası sıcaklığı ile kuru termometre sıcaklığı aynıdır. Yaş Termometre Sıcaklığı (T yt ) : Bağıl nem ve özül nem terimleri mühendislik ve atmosfer bilimlerinde sık olarak kullanılır ve sıcaklık ve basın ibi kolayca ölülebilen özeliklerle ilişkilerinin kurulması erekir. Bağıl nemi belirlemenin bir yolu, yukarıda aıklandığı biimde havanın iy noktası sıcaklığını bulmaktır. Çiy noktası sıcaklığı bilindiğinde, buhar basıncı P v ve buna bağlı olarak bağıl nem hesaplanabilir. Bu yaklaşım basit olmasına rağmen uyulamada pratik değildir. Uyulama aısından daha elverişli bir yöntem, Şekil de österildiği ibi ucuna ıslak pamuklu fitil sarılmış bir termometrenin üzerinden hava akışının sağlanması olmaktadır. Bu şekilde ölülen sıcaklık yaş termometre sıcaklığı (T yt ) diye bilinir ve iklimlendirme uyulamalarında sıka kullanılır. Bu yöntemin dayandığı temel ilke, doymamış hava ıslak fitilin üzerinden eerken, fitildeki nemin bir miktarı buharlaşır. Bunun sonucu olarak suyun (fitilin) sıcaklığı düşer ve havadan suya ısı eişine neden olan bir sıcaklık farkını oluşturur. Bir süre sonra, sudan buharlaşma nedeniyle olan ısı kaybı, sıcaklık farkından dolayı havadan suya olan ısı eişine eşitlenir ve su bir dene sıcaklığında sabitlenir. Bu noktada termometreden okunan sıcaklık yaş termometre sıcaklığıdır. 2.3.Psikrometrik Diyaram Verilen bir basıntaki atmosferik havanın hali, iki bağımsız yeğin özelik tarafından belirlenebilir. Geri kalan diğer özelikler yukarıda verilen bağıntılardan kolaylıkla hesaplanabilir. Bir iklimlendirme sisteminin tasarımı sırasında bu hesaplar ok sayıda farklı hal iin tekrarlandığından, en sabırlı mühendislerin bile bunalmasına neden olabilirler. Bu nedenle bilisayarda yapılmış hesaplamalar ya da bu hesaplamaları bir kez yapıp sonuları kolay okunabilecek diyaramlarla ifade etmenin faydaları vardır. Bu diyaramlara psikrometrik diyaramlar adı verilir.
Kuru ve yaş termometre sıcaklıkları ölülerek psikrometrik diyaram (nemli hava diyaramı) yardımıyla nemli havanın özül hacmi, bağıl ve özül nem miktarı ve özül entalpisi elde edilebilir. 2.4. İklimlendirme İşlemleri Yaşanılan bir ortamı ya da endüstriyel bir tesisi istenilen sıcaklık ve nemde tutabilmek iin iklimlendirme adı verilen işlemlere erek duyulur. Bu işlemler duyulur ısıtma (sıcaklığın yükseltilmesi), duyulur soğutma (sıcaklığın düşürülmesi), nemlendirme (su buharının eklenmesi) ve nem almadır (su buharının havadan ayrılması). Havayı istenen sıcaklık ve nem düzeyine etirmek iin bazen bu işlemlerden birkaının bir arada uyulanmasını erektirir. Değişik iklimlendirme işlemlerinin psikrometrik diyaram üzerinde österiminden örüleceği ibi, duyulur ısıtma ve duyulur soğutma işlemleri sırasında havadaki nem miktarı sabit (w = sabit) olduğundan diyaramda bu işlemler yatay birer doğru olarak örülürler. Hava kış aylarında ısıtılır ve nemlendirilirken, yaz aylarında soğutulur ve nemi alınır. İklimlendirme işlemleri enellikle kararlı akışlı aık sistemlerde erekleşir. Bu nedenle sistemler iin kütlenin korunumu bağıntısı hem kuru hava hem de su iin ifade edilmelidir: (6) m m Kuru Hava İin Kütle Denesi:m a ma (7) Su Kütlesi Denesi: m ve a w w mw m ma w (8) Enerji denkleminde kinetik ve potansiyel enerji değişimleri ihmal edildiğinde, Kararlı Akışta Enerji Denesi Bağıntısı: E E (10) Q W mh Q W mh (11)
olarak ifade edilebilir. 2.4.1. Duyulur Isıtma ve Soğutma (w=sabit): Bu işlem sırasında havanın nemlendirilmesi ya da havadan nem alınması söz konusu olmadığından havadaki nem miktarı sabit kalır. Başka bir deyişle, nemlendirme veya nem almanın söz konusu olmadığı bir ısıtma (veya soğutma) işleminde, havanın özül nemi sabit kalır (w=sabit). Bu tür bir ısıtma işlemi, psikrometrik diyaramda yatay bir doğru olarak örünen sabit özül nem doğrusunu izleyerek, artan veya azalan kuru termometre sıcaklığı yönünde elişir. Kuru hava kütlesi denesi: m m m 1 a 2 a (12) a Su kütlesi denesi: w1 w2 (13) Enerji denesi: Q m a h 2 h ) veya q h 2 h1 (14) ( 1 Burada h 1 ve h 2 sırasıyla, havanın ısıtma ya da soğutma bölümüne iriş ve ıkışında, birim kuru hava kütlesi iin entalpileridir. 2.4.2.Nemlendirme ile Isıtma : Duyulur ısıtmada ortaya ıkan düşük bağıl nem ile ilili sorunlar, ısıtılan havanın nemlendirilmesiyle yok edilebilir. Bu işlem, aşağıdaki şekilde örüldüğü ibi havanın önce bir ısıtma bölümünden (1 2 hal değişimi) ve daha sonra bir nemlendirme bölümünden (2 3 hal değişimi) eirilmesi ile sağlanır. Kuru Hava Kütle Denesi: a1 ma2 ma (15) m Su Kütlesi Denesi: m a1 w1 m a2 w2 w1 w2 (16). Enerji Denesi: Q ma h1 ma h2 (17)
a2 w2 mw ma3 w3 m (18) mw ma( w ) 3 w2 (19) 2.4.3.Soğutma ile Nem Alma: Duyulur soğutma sırasında havanın özül nemi sabit kalır, fakat bağıl nemi artar. Eğer bağıl nem arzu edilmeyen değerlere ulaşırsa, havadan bir miktar su buharını uzaklaştırmak, başka bir deyişle nem almak erekebilir. Bunu erekleştirmek iin havanın iy noktası sıcaklığından daha düşük bir sıcaklığa soğutulması erekir. Kuru Hava Kütle Denesi: a1 ma2 ma (20) m Su Kütlesi Denesi: ma1 w ma2 w mw mw ma w w ) 1 2 ( 1 2 (21) Enerji Denesi: mh Q mh Q m( h1 h2 ) mw hw (22) 2.4.4.Buharlaşmalı Soğutma: Buharlaşmalı soğutma basit bir ilkeye dayanır: Su buharlaşırken, buharlaşma izli ısısı suyun kendisinden ve onu evreleyen havadan sağlanır. Bunun sonucu olarak işlem sırasında hem su hem de hava soğur. Bu yöntem binlerce yıldan beri ime suyunu soğutmak iin kullanılmıştır. Suyla dolu özenekli bir kap veya testi, aık fakat ölede bir yere bırakılır. Gözeneklerden dışarı az miktarda su sızar ve testi terler. Kuru bir ortamda bu su buharlaşır ve testide eri kalan suyu soğutur.
3.DENEY DÜZENEĞİ Ünitenin Özellikleri Hava Hızı: 0.13 m 3 /s ( maksimum) Ön Isıtıcı: Genişletilmiş kanatlı elektrik ısıtıcısı 2x1.0 kw(nominal) 220 V da Soğutucu: Doğrudan enişleme, enişletilmiş kanatlı helozon. Soğutma hızı yaklaşık 2.0 kw Son Isıtıcı: Genişletilmiş yüzeyli elektrikli ısıtıcı 220V da 2x0.5 kw Fan: Değişken hızlı santrifüj 220 V 50 Hz de, 120 W. Fan ü irişi normal işletme şartlarında yaklaşık 72 W tır. Buhar Kazanı: Elektrikli ısıtıcılı (1x1.0 Kw ve 2x2.0 kw) atmosferik basınta alışan. Su seviye kontrolü şamandıralı su miktarı m w =0.54 k dır. Soğutucu: Soğutucu akışkan R134a. Hava ölümü: Eğik tüp manometreli orifiz plakası Sıcaklık Ölümü: 300 mm uzunluğunda yaş ve kuru cam termometreler Deney Tesisatı iin Faydalı Bililer: Normal işletme koşullarında, fan iriş ücü 72 W dır. Buhar kazanından evreye ısı kaybı=4.3 W/ K Soğutucu Çıkış damperi T 1 T 2 T 3 T T 7 T 9 T 5 4 T 8 T 1 T 6 0 Radyal fan Ön ısıtıcı Nemlendirici Son ısıtıcı Filtre-kurutucu kondenser kompresör Şekil : İklimlendirme deney düzeneğinin şematik resmi.
4.DENEYİN YAPILIŞI 4.1. Temel İklimlendirme İşlemleri Deneyi DENEYİN AMACI: Bir iklimlendirme ünitesinde ısıtma, soğutma, nemlendirme ibi temel işlemleri östermek. Bu işlemleri psikrometrik diyaram üzerinde takip etmek. GEREKLİ ALET VE CİHAZLAR: Pervaneli hava hız öler (anemometre), Psikrometrik diyaram. Ölüm Sayısı 1 2 T 1 [ C] T 2 [ C]=T 1yt T 3 [ C] T 4 [ C]=T 3yt T 5 [ C] T 6 [ C]=T 5yt T 7 [ C] T 8 [ C]=T 7yt T 9 [ C] T 10 [ C]=T 9yt u [m/s] YÜK HESABI: Alak ve yüksek hava debileri iin iklimlendirme sisteminde yer alan her bir birimin yük değerleri ölülen kuru ve yaş termometre sıcaklıkları ve psikrometrik diyaram kullanılarak belirlenecektir. Bunun iin ; a-) Havanın hacimsel debisi belirlenir :. V h Au. [m 3 /s] ; (23) A: kesit (m 2 ) (Panjur kesiti)=0,05 m 2, u: hız ( m/s) (Pervaneli hız öler ile ölülecek) b-) Havanın kütlesel debisi hesaplanır: V h m h v (24) υ = Girişteki havanın özül hacmi (m 3 /k) c-)ön ısıtma yükü: m (h - h ) (25) Q 1 h 2 1 d-) Soğutma yükü: m (h - h ) (26) Q 2 h 2 3 e-) Nemlendirme yükü : m (w - w ) (27) mw h 4 3 f-)son ısıtma yükü: m (h - h ) (28) Q 3 h 5 4
RAPORDA İSTENENLER: Deney prosedürü izah edilecek, deneyin adı ve amacı belirtilecek İklimlendirme proseslerinin psikrometrik diyaram üzerinde österimi yapılacaktır. Her bir birimdeki yükler belirlenerek tablo halinde sunulacaktır. Psikrometrik diyaramdaki değişimler ve tablo değerleri dikkate alınarak her bir iklimlendirme birimindeki süreler fiziksel olarak irdelenecektir. DENEY SONRASI İŞLEMLER: 1. İklimlendirme deney düzeneğinde yapılan her işlemi psikrometrik diyaramda österiniz. 2. Deney esnasında her bir işlem sonunda ölülen yaş ve kuru termometre sıcaklıkların tabloda österiniz. 3. Deney düzeneğinden ölülen sıcaklıklara öre havanın her bir ünitenin iriş ve ıkışındaki erekli termodinamik özelliklerini psikrometrik diyaram ile belirleyin 4. Duyulur ısıtma ve duyulur soğutma işlemleri esnasındaki havaya verilen ve havadan ekilen ısıları hesaplayınız. 5. Nemlendirme ve ısıtma işleminde havaya verilen ısıyı ve nemi hesaplayınız. 6. Soğutma ve nem alma işlemi esnasında havadan ekilen ısı ve nemi belirleyiniz. İstenenler: Deneyin amacı, yapılışı, türüne ilişkin bili Ölülen ve hesaplanan değerlerin doldurulması Her ölüm iin hesaplamalar Grafikler Sonu-Yorumlar (nedenleriyle) Deney Sonuları